混凝土抗氧化劑-飛灰、爐石、矽灰、稻殼灰等

湛淵源 技師

  混凝土結構體內的劣化基因包含諸多項目,這些體內既有存在的不良基因,彷如人體內的惡性基因,受到成長環境影響而被激化,就會造成基因劣化或突變,形成人見人怕的「癌細胞」,有厭氧的特性,抗氧化能力衰減,促使寄生體局部機能衰竭,進一步引發全面性器官功能衰敗,導致人體死亡。換句話說,人體的惡質基因和癌細胞是一種排它性的物質,先大量殘害良質細胞或轉移至其它部位,再大量消滅好細胞,最後,這些壞細胞遂自相殘殺,與寄生體同歸於盡,人體是如此,混凝土也一樣。為此,人類除逐漸重視優生學的預防哲學外,更特別重視養生哲學,達到延年益壽、老當益壯的長壽目標。因此,除了修身、修性、禪修、氣功等等的內外活氧功夫,還要加上日常飲食的抗氧計畫,多食用綠色蔬菜及生鮮蔬果,提升免疫能力,少吃紅色肉類,遠離煙酒刺激物,上述作為都是在令細胞活氧化,降低細胞老化速度。人類有智慧可以自行調理自身適應環境的能力,那麼,混凝土是否也有相應的能力呢?答案是有的,不過條件是混凝土必須經工程師審慎設計,本身是健康的,具有少水、少水泥、多骨材、施工養護使用得當等,配合添加適量的飛灰、爐石、矽灰、稻殼灰等抗氧化劑,是可以營造出耐久的結構物,彷如古希臘的神殿、羅馬競技場和龐貝古城等準混凝土的歷史古蹟,用於見證卜作嵐材料(飛灰、爐石、矽灰等)的抗氧化效能,這是近代工程師所不能忽視的材料特性。

混凝土劣化基因

  混凝土的劣化基因與組成材料有密切關係。拌和水內所含的油、酸、鹼和鹽類均不得過量,否則會嚴重影響混凝土品質,性質應符CNS 1237的規定;拌和水量的多寡,更是影響混凝土孔隙系統及體積穩定性的主要因素,過多的拌和水量,將產生過大的收縮量,導致混凝土易裂,損及耐久性。水泥的熟料礦物C3S(矽酸三鈣)及C3A(鋁酸三鈣)含量愈多,水化生成物CH(氫氧化鈣)及AFt(鈣釩石)生成量也隨之增加,尤其CH(約佔25%)是水泥劣化的主基因,沒有適宜的減量或固化機制,永遠是混凝土內無法去除的準癌細胞;另外,水泥的Na+K+離子,是刺激活性骨材反應的觸媒,支配著混凝土長期耐久性的重要因素。骨材只要符合CNS 1240,有著合宜級配,大量使用具惰性且穩定的骨材作為混凝土的骨架,即是最健康的設計方法,也最能符合混凝土是人造石材的精神,然而骨材粒料也並非全然無害,近年來已陸續發現台灣北部及東部的骨材,含有活性粒料的礦岩,諸如安山岩與蛋白石等,只要在某一粒徑範圍內,活性矽質礦岩與水泥中的Na+K+離子,經由水份或濕氣的媒合下,發生鹼-矽骨材的膨脹性反應,歷經短期(地磚黑斑病)或長期(鹼骨材反應)的反應結果,都將使得混凝土呈現不耐久的結果,尤其像高鐵BOT工程,應特別注意這些問題。

卜作嵐材料

  按照ASTM C618的詮釋:「卜作嵐材料為含矽質或含矽質與鋁質的材料,本身只有少量膠結性,在有濕氣提供下,可與水泥水化產物CH反應成具有強度性質的C-S-H膠體」,它的反應式可參考式(1)

 N/K/CH  +  S/A     C/N/K-S/A-H………(1)

水泥水化產物  卜作嵐材料      反應後穩定產物

  式(1)可以看出,卜作嵐材料反應的對象為水泥水化產物的鹼性水化產物,尤其是CH。透過式(1)可以將N+K+離子固化,也將CH轉變成既穩定且有強度的C-S-H膠體,卜作嵐反應的效益可逐漸提昇混凝土的強度,使得服務期間的混凝土強度琱j於f'c,此對結構系統的承載力深具意義;可以透水的毛細孔隙被阻塞或隔斷,呈現較為耐久的特性;骨材及鋼筋界面被固化後,有助於提升混凝土的強度及握裹力。

  目前,國內常用的卜作嵐添加料,包含飛灰(F級)、高爐石粉、矽灰、稻殼灰等,把這些材料與水泥的化學成份相比較,參考圖一,可看出水泥、C級飛灰和高爐石粉,屬於近親材料,可用於取代部分水泥,取代量的多寡由製程和試驗程序予以確定,不得隨意引用文獻或代理商的建議值,否則,將大幅影響混凝土品質,後果不堪設想;矽灰與稻殼灰均屬高矽質材料,細度高、活性大可用於取代少量的水泥(不超過10%),是製造高強度混凝土的優良添加物,用量比例必須由試驗決定,混凝土拌和時,矽灰與稻殼灰的分散(均勻)性應特別重視,拌和不勻的混凝土,將衍生諸多耐久性問題,性能將大打折扣;F級飛灰是屬於較為溫和的卜作嵐材料,並不適合用於取代水泥,倘若大量取代水泥,會呈現低強度的現象,如同把哺育嬰兒的主食(水泥),大量使用副食品的添加物(飛灰)加以取代,這對沒幾個月大的嬰兒(短齡期的混凝土)而言,是本末倒置,戕害國家幼苗的行為,也印證飛灰不是不好,而是被誤用及濫用了。台灣科技大學營建系黃兆龍教授提出應用飛灰的新思維,把F級飛灰先填塞細骨材至最大單位重,再將飛灰與砂混合所得最佳比例視為細骨材,與石子充填獲得最大單位重的骨材比例,作為混凝土的骨架,最後把水泥漿填入骨架的空隙中,同時利用摻料的潤滑技術,做成高流動自平性(SCC)的混凝土,配比內把混凝土的主要劣化基因,拌和水與水泥量降低最低,飛灰可長期參與卜作嵐反應,且不取代水泥,只扮演物理填塞與化學卜作嵐反應的固化作用,用量比例可達30%以上,在筆者的博士論文中,已印證含飛灰的緻密高性能混凝土,只要有合宜的工作性 滿足設計強度的前提下,低水泥漿量及適宜飛灰量的混凝土,單位重愈高,工程性質、耐久性、體積穩定性都有愈佳的趨勢,完全符合物理學的觀念,這種結果也充分顯示飛灰在混凝土內所扮演的抗氧劑功能,加拿大的Malhotra也有同樣的數據可為佐證。

ACI 318-95的建議

  美國混凝土協會ACI 318委員會在1995版的「結構混凝土」設計規範中,已採用水膠比取代原來的水灰比,明定混凝土內可使用飛灰、高爐石粉、矽灰、稻殼灰等卜作嵐材料,並與水泥合稱為膠結性材料(Cementitious Materials)。這是歷年來對既有結構物劣化現象的觀察,及龐大的野外及室內試驗數據成果,均顯示當代混凝土是不耐久的,添加高量的水泥漿,限制使用卜作嵐材料是不對的,混凝土沒有設計抗氧化的基因,來克制本體內的劣化基因,最終結果付出了龐大的檢測與維修費用。ACI 318-95版開闢第四章「耐久性」專章,介紹各種耐久性設計的考量重點,內容中除位於除冰鹽區域有對卜作嵐材料用量加以限制外,其它各種使用場合,卜作嵐材料的「質」與「量」全由試拌加以確定,這種精神完全符合「性能性規範」的創意精神。在國內,行政院公共工程委員會,也致力推動飛灰及爐石的使用管制辦法,並先後完成公共工程使用飛灰及爐石的管制要點二大冊,對於飛灰及爐石的「質」與「量」有明確的限制。這二部管制要點仍以防弊性為主,精神上是要避免濫用或誤用飛灰及爐石,但卻違反國際混凝土科技潮流;卜作嵐材料都不用時,將違背新政府一再強調環保、綠色矽島的施政理念。政府機關或民間工程單位在設計混凝土時,可參考ACI 318-95的版本,或中國土木水利學會編定的402-88「混凝土施工規範與解說」為設計準則,挾照性能需求設計混凝土,尤其專責設計公共工程的權責單位,應放棄遵循數十年之久的劣質混凝土設計方法,改採具有抗氧化基因的健康混凝土設計法。保守不是錯,而是要合情合理。

結論

  卜作嵐材料是混凝土內的抗氧化基因,佐以低水泥漿量與高骨材量,可供製造具有免疫力的健康混凝土。卜作嵐材料的「質」與「量」,必須經由試拌決定最佳組合,而並非經由道聽塗說,任取比例或取代方式。我國已正式加入WTO組織,國外工程機構正虎視眈眈覬覦國內的營建市場,為能提昇競爭力,引用先進技術且具有創意的設計與施工方法,已至刻不容緩的地步,吾輩土木工程師可因勢引導,發揮工程師的智慧與創意,迎接廿一世紀的新挑戰。

圖一 水泥及卜作嵐材料在C-A-S系統之相位圖

 

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最後更新日期: 2002/07/11